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吉林大学本科生毕业设计文献综述学 院 生物与农业工程学院 专 业 农业机械化及其自动化 题 目 坚果采摘机械手设计 姓 名 贺昌龙 指导教师 肖英奎 坚果采摘机械手设计1，引言坚果，是闭果的一个分类，果皮坚硬，内含1粒种子。如板栗等的果实等。坚果是植物的精华部分，一般都营养丰富，含蛋白质、油脂、矿物质、维生素较高，对人体生长发育、增强体质、预防疾病有极好的功效。因此，市场上对坚果的需求量是非常之大的。我国坚果种植面积大，农产品市场竞争激烈，而且坚果采摘是一项繁重的劳动，因此，要想有所发展就不光要有优质的品种，更要有科学的采摘方式，目前坚果采摘设备主要有：高枝剪等手工采摘机具，车载振动式采摘机，智能采摘机器人等。我国普遍使用的是高枝剪等手工采摘机具，效率低。而发达国家的坚果主要来自发展中国家，他们对坚果采摘机械手的研究也不重视。所以，开发出一种有效的坚果采摘机械手是十分有必要的，也是刻不容缓的。2，果树采摘机器人的特点随着科学技术的发展，机器人技术的发展越来越完善，其应用范围也越来越广泛。但大多数是工业领域的应用，而农业领域的采摘机器人技术的发展则相对滞后。采摘机器人工作在高度非结构化的复杂环境下，作业对象是有生命力的植物，不允许对植物造成损伤，这就对果树采摘机器人有较高的要求：作用对象复杂易损伤，需要从机器人结构、传感器、控制系统等方面加以协调和控制；采摘机器人工作在复杂的环境下，而且环境件随着季节、天气的变化而发生变化，这就要求机器人有良好的环境适应能力；果蔬采摘机器人的操作者是农民，不是具有机电知识的工程师，因此要求果蔬采摘机器人必须具有高可靠性和操作简单、界面友好的特点。3，国外发展现状1983年第1台西红柿采摘机器人在美国问世，此后，采摘机器人及机械手的研制及开发得到了迅速的发展。西方各国相继立项研究了采摘苹果、柑橘、西红柿、西瓜和葡萄等智能机器人。荷兰农业环境工程研究所研制出了一种多功能黄瓜采摘机器人，机械手有7个自由度, 采用三菱RV-E26自由度机械手，在底座上增加了1个线性滑动自由度，采摘成功率为80%，每采摘1条黄瓜需时45s。西班牙研制了柑橘采摘机器人, 由摘果手、彩色视觉系统和超声传感定位器3部分组成。英国西尔索研究所开发的采蘑菇机器人装有录像机，红外线测距仪和视觉分析软件。日本近年在收获机器人的研究方面进展很快，目前已经研制出番茄、黄瓜、葡萄、柑橘等水果和蔬菜收获机器人，但技术不太成熟，还没有真正实现商业化。1984年，日本京都大学的川村等人开始了对番茄采摘机器人的研究，并研制出一台具有5自由度关节型机械手的机器人。上海交通大学与日本宫崎大学共同设计研制了高地隙的跨垄作业7自由度的草莓采摘机器人。各种技术采用的收获方式主要是机械震摇式和气动震摇式。其缺点是果实易损，效率不高，特别是无法进行选择性的收获，在采摘柔软，新鲜的果蔬方面还存在很大的局限性。但在此后，随着电子技术和计算机技术的发展，特别是工业机器人技术、计算机图像处理技术和人工智能技术的日益成熟，采摘机器人的研究和开发技术得到了快速的发展。但收获机器人目前都还没能真正实现商业化。4，国内发展现状我国在农业机器人领域的研究始于20世纪90年代中期，相对开始较晚，但发展速度较快，近年来也有了许多研究成果。如上海交通大学机器人研究所研究出了智能化联合收割机样机。2001年，张瑞合等运用双目立体视觉的方法研究了番茄收获中果实的精确定位问题。中国农业大学刘兆祥、刘刚等人在苹果采摘机器人三维视觉传感器设计方面的研究; 张建锋、何东健、张志勇等对于采摘机器人自适应鲁棒跟踪控制算法设计; 江苏大学蔡健荣等通过恢复障碍物的三维信息，对于柑橘采摘机器人障碍物识别技术的研究;南京农业大学工学院王学林和姬长英对力外环控制的果蔬抓取技术的研究。采摘机器人是未来智能农业机械化的发展方向，具有广阔的应用前景，也是坚果采摘收获发展的必然方向。因此，此项研究是非常有价值的。5，发展方向根据农业机器人本身的特点，今后将向如下几个方向发展：(1)结构简单，价格合理。农民并不富裕，专业知识也不高，为了使机械化，自动化在农业生产中得到广泛的应用和推广，机器人不应单纯地模仿人的动作，而要用机器人动作代替人的动作，防止结构复杂，使其价格合理，便于推广。(2)设备的通用性。农业机械的特点是使用时间短，间隔周期长，农业机器人应该做到简单改变其软件和末端执行器就可以改变其用途，提高通用性，延长使用周期，降低使用成本。(3)工作可靠性。末端执行器是直接与果实接触的工作部件，设计时要基于各种果实的物理特性和生物学特性，使其具有一定的柔性，提高仿生化水平、视觉系统的精度和灵敏度，优化算法，增强机器人的避障能力，减少机器人对作物和果实的损伤，以保证系统工作安全可靠，保证产品质量。(4)工作高效化.加强机械手结构研究，如增加机械手的白由度和选用双臂形式机器人等，忧化软件设计，提高各关节运动速度、末端执行器一!:作速度和视觉系统处理速度，合理地进行路径规划，缩短机械手到达果实的时间，从而提高机械手的l:作效率。(5)机械手的性能研究与评价.机械手应该具有足够人的工作空间，在一l:作空间内，机器人应该具有较人的可操作度，以增加机械手灵活性，避免奇异性.鉴于农业环境的特殊性，机械手还必须具有足够的避障空间和冗余空间。各性能指标均与机械手的运动参数和结构参数紧密相连，机械手的结构优化仍是今后研究的重要内容。(6)除了在工程上对机器人改进以外，园艺栽培方式的规范化和标准化也将有利于采摘质量和效率的提高，使其便于机械化作业，同时可以降低机器人结构的复杂程度。6，机械手的结构组成与设计机械手又称操作机，是指具有和人手臂相似的动作功能，并使工作对象能在空间内移动的机械装置，是机器人赖以完成工作任务的实体。在收获机器人中，机械手的主要任务就是将末端执行器移动到可以采摘的目标果实所处的位置，其工作空间要求机器人能够达到任何一个目标果实。机械手一般可分为直角坐标、圆柱坐标、极坐标、球坐标和多关节等多种类型。多关节机械手又称为拟人机器人，相比其它结构比较起来，要求更加灵活和方便。机械手的自由度是衡量机器人性能的重要指标之一，它直接决定了机器人的运动灵活性和控制的复杂性。果蔬采摘机器人往往工作于非结构性环境中，工作对象常常是随机分布的，因此在机械手的设计过程中，必须考虑采用最合理的设计参数，包括机器人类型、工作空间、机械臂数量( 机械臂越多，机构越灵活，但控制也越复杂，消耗的时间也越多。因此，必须在系统数量和性能之间进行平衡) 以及机器人结构方式( 串联式、并联式) 等。评价机械手的结构性能参数主要有工作空间、可操作度、位置多样性和冗余度等。为了设计出最合适的操作手机构，还必须进行机构的运动学和动力学研究，同时还要考虑其运动平衡性能，综合优化算法设计，使机器人能灵巧无碰撞地完成采摘任务。果实收获机械手设计一方面要考虑机器人本身价格和使用者经验和教育水平，另一方面要考虑工作对象的生物学特性。对于机械手构形，几何要求是其重要的设计依据，即必须根据作业要求的末杆位姿图选择一种合适的机型，并且使其具有适当数量的自由度和结构尺寸。收获机械手多为空间开式链机构，设计的关键是根据实际的作业对象特性和工作方式来选择机械手结构尺寸，使其满足一定的性能要求。7，机械手的选择一，机构选型原则，机械手通常是由一系列连杆和相应运动副组成的空间开式链，由于农业环境的复杂性、不确定性和果实分布的随机性，收获机械手的选型既要遵循工业机械手的基本原则，又要考虑其工作特殊性。(l)基于植物生物学特性、果实物理特性以及仿生学理论等，选择模拟人手臂工作特性的机械手，使其满足作业要求并具有良好的仿生性能。(2)具有最优的工作空间.工作空间越大，采摘范围越广，通用性也就越好。(3)具有较好的避障能力。果实采摘过程中，植物茎叶以及植物支撑装置的位置不固定，为减少对植物的损伤，机械手必须能方便的避开障碍物。(4)机构设计合理。这涉及到运动副型式的合理选抒与配置，驱动运动的最住传递方式和路线，驱动装置的最佳配比和空间配置等。(5)消除工作空间的奇异位形。在奇异位形处，机械手丧失一个或多个操作自由度，机器人不能正常工作。(6)采用尽量少的自由度。一般来讲，自由度越多，灵活性越好，但随之将出现机器人机械手的复杂化、刚度削弱、控制幽难等问题。二，自由度选择机械手的自由度是指在确定机械手所有构件位置时所必须给定的独立运动参数的数目.实际应用中，机械手的自由度取决于机器人使用场合与作业方式和特点，是机械手运动分析和受力分析的原始数据。冗余度机械手具有能够克服奇异位形、实现连杆避障、克服关节运动极限和改善动态特性的功能，能充分提高机械手的工作能力，在运动和动态性能方面具有无可比拟的优越性，更适合复杂农业环境的作业要求。三，机械手末端是手腕，其作用是对机械手末端定位了的物体在进行位置补偿的同时，取得一定的姿态。根据作业要求选择手腕的基本型式后.具体类型的确定需要与手臂结构综合起来进行分析，以满足位置和姿态要求。8，结语目前，大部分采摘机器人还处于研究阶段，离实用化和商品化还有一定的距离。在采摘机器人的智能化果实识别和定位、机械本体的优化设计、路径规划和运动控制技术、开放式的控制系统体系结构等方面有待进一步的研究。随着农业工厂化经营模式的推广和采摘机器人成本的降低，相信采摘机器人最终会走出实验室，实现商业化应用，推动现代农业向着装备技术精细化、自动化、智能化方向的发展。参考文献：1， 国内外采摘机器人机械手结构比较的研究-田素博，邱立春，秦军伟，刘春芳2， 番茄收获机械手机构分析与优化设计研究-博士论文-梁喜凤3， 高速轻型并联机械手动态设计理论与方法-博士论文-赵永杰4， 高速轻型并联机械手控制方法研究-硕士论文-张祥5， 果蔬采摘机器人的研究-陈磊，陈帝伊，马孝义-西北农林科技大学6， 机械手式水稻有序行抛机构的设计-马瑞峻区颖刚邵耀坚7， 坚果采摘臂主臂的有限元力学分析-徐敏，蔡颂，李立君8， 荔枝采摘机械手机构设计及运动学仿真-陈燕 ,邹湘军 ,徐东风 ,蔡伟亮9， 六自由度串并联机械手的构型设计与运动学分析-崔国华，张艳伟，张英爽，吴海淼10，苹果采摘机器人机械手结构设计与分析-硕士论文-杨文亮11，杨梅采摘机械手研究展望-刘淑珍, 张玉宝-农机化研究12，移动式采摘机器人研究现状与进展-方建军-农业工程学报13，Overview of Mechanical Harvesting in Florida Citrus -G.K.Brown14，New Mechanical Harvesters for the Florida Citrus Juice Industry-Galen.K.Brown.15，一种新型两自由度高速并联机械手的尺度综合-袁剑锋张宪民-华南理工大学16，新型三平动自由度高速并联机械手的弹性动力学分析-张 磊-硕士论文17，苹果采摘机器人机械手运动学分析与仿真-马贵飞，马履中，杨文亮-农机化研究18，A. 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